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細胞重編程是指將分化細胞在特定的條件下逆轉(zhuǎn)恢復(fù)到多能性狀態(tài)的過程，為再生醫(yī)學(xué)提供干細胞資源。近年來，化學(xué)誘導(dǎo)多能干細胞（CiPSCs）擺脫了最初Yamanaka四因子誘導(dǎo)的多能干細胞（iPSCs）對外源基因?qū)氲囊蕾?，開啟了對化學(xué)誘導(dǎo)重編程認知的新篇章【1，2】。然而到目前為止，CiPSCs仍無法通過干細胞多能性驗證“金標(biāo)準(zhǔn)”——四倍體補償實驗證明其擁有與胚胎干細胞（ESCs）和iPSCs類似的發(fā)育潛能【3】。精原干細胞（SSCs）是哺乳動物睪丸中的成體干細胞，具有自我更新和精子發(fā)生的能力。在體外培養(yǎng)條件下，小鼠SSCs可自發(fā)重編程為生殖細胞來源多能干細胞（SSC-iPSCs或gPSCs），是一種獨特的重編程現(xiàn)象，但其潛在的細胞命運轉(zhuǎn)變機制不明【4】。
2022年11月17日，南方醫(yī)科大學(xué)趙小陽（中國細胞生物學(xué)學(xué)會干細胞生物學(xué)分會委員）課題組，北京大學(xué)BIOPIC中心湯富酬（中國細胞生物學(xué)學(xué)會理事）課題組和南方醫(yī)科大學(xué)汪妹課題組合作在Protein & Cell雜志上在線發(fā)表了題為The Chemical Reprogramming of Unipotent Adult Germ Cells towards Authentic Pluripotency and de novo Establishment of Imprinting的研究論文。該研究利用單細胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)首次系統(tǒng)描繪了小鼠SSCs自發(fā)重編程的細胞命運轉(zhuǎn)變路徑，針對重編程成功與障礙路徑特征進行小分子篩選，建立獲得了可以使重編程效率提升約100倍的小分子化合物組合高效誘導(dǎo)體系（5C）。四倍體補償實驗證明5C誘導(dǎo)獲得的SSC-iPSCs具有與ESCs類似的發(fā)育潛能。重編程機制上，結(jié)合單細胞多組學(xué)（轉(zhuǎn)錄組與DNA甲基化組）測序技術(shù)，本文首次發(fā)現(xiàn)SSCs重編程反向經(jīng)過類似體內(nèi)生殖細胞發(fā)育的主要路徑，即從精原細胞到原始生殖細胞（PGCs）再到上胚層細胞（Epiblasts）。在此過程中，全基因組和印記基因甲基化狀態(tài)也同時最終誘導(dǎo)的SSC-iPSCs無論全局DNA甲基化還是印記狀態(tài)都發(fā)生了整體重建，使SSCs這種成體干細胞完全重編程為具有完整發(fā)育潛能的多能干細胞獲得了類似于ESCs的表觀遺傳特征。該研究聚焦獨特的SSCs自發(fā)重編程現(xiàn)象，建立了可修復(fù)重編程系統(tǒng)缺陷導(dǎo)致發(fā)育障礙的高效誘導(dǎo)體系，其作用機理可能通過調(diào)控重編程過程中的關(guān)鍵表觀修飾狀態(tài)來實現(xiàn)，為其他重編程體系的機制研究和再生醫(yī)學(xué)中功能干細胞的獲得提供了研究思路。
研究人員首先利用單細胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)繪制了小鼠SSCs重編程的全時程單細胞圖譜的細胞變化軌跡，鑒定了1條重編程成功和4條重編程失敗的路徑，通過比較重編程成功與障礙的路徑，通路富集分析發(fā)現(xiàn)糖酵解代謝、DNA甲基化/去甲基化等生物學(xué)事件特征在與成功重編程路徑中顯著激活密切相關(guān)。隨后針對這些特征進行小分子化合物篩選，最終從183個小分子中獲得由5個小分子化合物組成的誘導(dǎo)組合（5C，Vitamin C、SGC707、 EGCG、TUDCA、Daphnetin），可將重編程效率顯著提高約100倍，并將重編程時程由19天縮短至10天。更讓人興奮的是，由5C誘導(dǎo)獲得的SSC-iPSCs在四倍體補償小鼠出生率、出生小鼠體重及存活率情況方面均優(yōu)于對照組。進一步通過對不同處理的SSC-iPSCs與ESCs進行DNA甲基化測序，發(fā)現(xiàn)5C-gPSCs全局DNA甲基化、印記控制區(qū)（ICRs）甲基化、Dlk-Dio3區(qū)DNA甲基化水平更接近于ESCs，表明5C小分子組合不僅可以提高SSCs重編程效率，更具有修復(fù)多能干細胞表觀遺傳狀態(tài)與發(fā)育潛能的作用。
為進一步探究5C體系對提升SSC-iPSCs發(fā)育潛能提升的調(diào)控機制，對該重編程過程中單個細胞的單細胞多組學(xué)（轉(zhuǎn)錄組和DNA甲基化組同時進行檢測）測序發(fā)現(xiàn)SSCs重編程早期階段逆向經(jīng)過類似體內(nèi)生殖細胞發(fā)育的主要路徑，即與精原細胞到PGCs再到Epiblasts的擬發(fā)育軌跡高度擬合。這種發(fā)育軌跡的擬合不僅體現(xiàn)在成功重編程分支的細胞基因表達水平具有與體內(nèi)生殖細胞相似的表達特征，還獲得了生殖細胞發(fā)育過程中典型的全局DNA全基因組及印記基因甲基化擦除與重建的特征。值得一提的是，在重編程過程中，晚期階段，重編程早期被擦除的全局DNA甲基化獲得重建、SSCs部分母源印記基因ICRs特征（Igf2r、Snrpn、Peg3和Peg10等）建立，從哺乳動物雄性生殖細胞SSCs中典型的ICRs雙等位低甲基化特征狀態(tài)經(jīng)過重編程轉(zhuǎn)變?yōu)镋SCs樣的單等位甲基化狀態(tài)，且5C小分子處理組高效體系有助于建立更接近于ESCs的全基因組和母源印記基因的甲基化特征在表觀重塑方面的優(yōu)勢更加突出，表明該研究建立的高效誘導(dǎo)體系不僅可以提高重編程效率，還具有修復(fù)多能干細胞表觀遺傳障礙與提升其發(fā)育潛能的作用。正確的重編程路徑及表觀特征對重編程誘導(dǎo)至關(guān)重要。
綜上，研究人員系統(tǒng)解析了獨特的SSCs（精原干細胞）自發(fā)重編程中的細胞命運轉(zhuǎn)變路徑，并利用全新的高效重編程系統(tǒng)修復(fù)了SSC-iPSCs的部分發(fā)育缺陷。該研究首次揭示了精原干細胞重編程經(jīng)過類似體內(nèi)生殖細胞逆發(fā)育路徑與印記重建的獨特機制。
南方醫(yī)科大學(xué)博士生陳雨寒、北京大學(xué)博士生盧健森、南方醫(yī)科大學(xué)許言文博士、黃亞萍博士和博士生王大壯為本文的共同第一作者。南方醫(yī)科大學(xué)趙小陽教授、北京大學(xué)湯富酬教授和南方醫(yī)科大學(xué)汪妹教授為本文的共同通訊作者。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1093/procel/pwac044
參考文獻
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